Xây dựng một khu định cư trên sao Hỏa đòi hỏi lượng kim loại khổng lồ, nhưng việc vận chuyển vật liệu từ Trái Đất tốn rất nhiều tiền. NASA đã chi 243 triệu đô la Mỹ chỉ để gửi robot thám hiểm Perseverance nặng một tấn lên Hành tinh Đỏ. Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Swinburne và CSIRO đã tìm ra một giải pháp đầy hứa hẹn bằng cách thành công tạo ra sắt trực tiếp từ đất sao Hỏa trong điều kiện mô phỏng của sao Hỏa.
Thách thức Mars so với Trái Đất:
- Nguồn năng lượng: Không có nhiên liệu hóa thạch, không có thủy điện, hiệu suất năng lượng mặt trời giảm
- Khí quyển: Khí quyển CO2 mỏng so với môi trường giàu oxy của Trái Đất
- Nguy cơ hóa học: Các trầm tích perchlorate độc hại với vật liệu dựa trên carbon
- Chi phí vận chuyển: 243 triệu USD cho robot thám hiểm Perseverance nặng 1 tấn
Cộng đồng tranh luận về thép so với sắt cho xây dựng trên sao Hỏa
Đột phá này đã khơi dậy những cuộc thảo luận thú vị về loại kim loại nào thực sự hữu ích cho các nhà thực dân sao Hỏa. Trong khi nhóm nghiên cứu đã sản xuất sắt nguyên chất ở khoảng 1000°C, các chuyên gia cộng đồng chỉ ra rằng thép sẽ thực tế hơn nhiều cho mục đích xây dựng. Thép có độ bền kéo cao hơn 4-6 lần so với sắt thô, khiến nó trở nên thiết yếu để xây dựng các cấu trúc có thể chịu được môi trường khắc nghiệt của sao Hỏa.
Thách thức nằm ở việc tạo ra hàm lượng carbon chính xác của thép. Sao Hỏa có rất nhiều carbon dioxide trong bầu khí quyển mỏng của nó, nhưng việc chuyển đổi điều này thành lượng carbon nhỏ cần thiết cho sản xuất thép đòi hỏi các quy trình phức tạp cần được phát triển ngay trên sao Hỏa.
So sánh độ bền vật liệu:
- Độ bền kéo của thép: cao hơn 4-6 lần so với sắt thô
- Hàm lượng carbon trong thép: 0,05% đến 2%
- Gang đúc: Hàm lượng carbon cao hơn thép
- Ứng dụng: Vỏ nhà ở, cơ sở nghiên cứu, máy móc khai thác
Thách thức thực tế ngoài phòng thí nghiệm
Những người đam mê công nghệ đã tưởng tượng ra các bước tiếp theo cho công nghệ này. Một số đề xuất rằng SpaceX có thể thử nghiệm quy trình này bằng cách hạ cánh một robot thám hiểm tạo ra những đống sắt từ đất địa phương. Tuy nhiên, thực tế mở rộng quy mô điều này đặt ra những trở ngại đáng kể.
Sao Hỏa thiếu nhiều nguồn năng lượng mà chúng ta coi là hiển nhiên trên Trái Đất - không có nhiên liệu hóa thạch, không có thủy điện, và ánh sáng mặt trời yếu hơn nhiều cho các tấm pin mặt trời. Xây dựng thiết bị nặng cần thiết cho sản xuất kim loại hàng loạt sẽ đòi hỏi khởi động toàn bộ cơ sở công nghiệp bằng cách sử dụng các vật liệu có khả năng chất lượng thấp hơn so với những gì chúng ta quen thuộc trên Trái Đất.
Quy trình sản xuất sắt trên sao Hỏa:
- Hình thành sắt nguyên chất: ~1000°C
- Hợp kim silicon-sắt lỏng: ~1400°C
- Quy trình sử dụng điều kiện áp suất bề mặt sao Hỏa
- Nguyên liệu thô: Oxit giàu sắt từ regolith + carbon từ khí quyển CO2
Bức tranh lớn hơn về việc sử dụng tài nguyên không gian
Nghiên cứu sản xuất sắt này phù hợp với một lĩnh vực đang phát triển được gọi là ISRU (In-Situ Resource Utilization) - về cơ bản là sử dụng bất kỳ vật liệu nào bạn tìm thấy tại địa phương thay vì vận chuyển mọi thứ từ nhà. Thí nghiệm MOXIE của NASA đã chứng minh khái niệm này bằng cách tạo ra oxy có thể thở được từ bầu khí quyển carbon dioxide của sao Hỏa.
Bạn không thể vận chuyển mọi thứ lên Mặt trăng hoặc sao Hỏa từ Trái Đất - bạn cần học cách xử lý và tinh chế các vật liệu địa phương.
Sự thành công của những dự án như vậy có thể quyết định liệu các khu định cư sao Hỏa trở thành hiện thực hay vẫn là khoa học viễn tưởng. Mỗi kilogram đều quan trọng trong các sứ mệnh không gian, và khả năng tạo ra vật liệu xây dựng tại chỗ có thể là sự khác biệt giữa việc xây dựng một tiền đồn nghiên cứu và thiết lập sự hiện diện lâu dài của con người trên sao Hỏa.
Nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc để làm cho quy trình của họ không tạo ra chất thải, nơi tất cả các sản phẩm phụ được biến thành vật liệu hữu ích. Họ cũng đang hợp tác quốc tế, gần đây đã tổ chức các hội thảo tại Hàn Quốc khi sự quan tâm toàn cầu đối với việc khám phá sao Hỏa tiếp tục tăng trưởng.
Tham khảo: How to make metals from Martian dirt